吴 为 ， 闫 晶 ，吕凤工 ，曾元松

（1.塑性成形技术航空科技重点实验室，北京100024；2. 数字化塑性成形技术及装备北京市重点实验室，北京100024；3. 中航工业北京航空制造工程研究所，北京100024）

新型Al-Li-Cu-Mg合金是一种新型轻量化高性能结构材料，蒙皮是构成飞行器气动外形的关键钣金构件，新型Al-Li-Cu-Mg合金蒙皮融合了材料和结构的优良特性，将在航空航天等高技术产业得到越来越广泛的应用，上述产业的迅速发展迫切需要研究和发展新型Al-Li-Cu-Mg合金蒙皮的先进制造技术。

拉伸成形工艺（简称拉形）是制造铝锂合金机身蒙皮零件重要的技术手段。拉形工艺可分为两类：纵拉和横拉。不论何种方法，蒙皮拉形的主要工艺过程类似。如图1所示，开始阶段坯料两端夹持在拉形机钳口, 中间阶段依靠夹钳运动和工作台上顶成形模具,使坯料和模具局部渐次与毛料接触，毛料受拉产生不均匀的平面拉伸应变，最终毛料全部与模具表面贴合。新型Al-Li-Cu-Mg合金板材板材表面为镜面，拉形过程可能会出现“桔皮”或“滑移线”等表面缺陷，板材抗拉形表面缺陷的能力尚需揭示；拉形质量对铝锂合金板材热处理状态十分敏感，但是新型Al-Li-Cu-Mg合金板材热处理状态较复杂，探索新型Al-Li-Cu-Mg合金板材热处理制度，获得合理的板材热处理状态，以及拉形质量对板材热处理状态的敏感性仍需探索。上述新型Al-Li-Cu-Mg合金板材拉形特性，已成为新型Al-Li-Cu-Mg合金板蒙皮成形质量精确控制以及蒙皮设计迫切需要解决的关键问题。

几十年来，国内外学者采用试验研究、理论解析以及数值仿真相结合的方法，系统深入地研究了各种典型蒙皮零件拉形过程的起皱、滑移线、桔皮和回弹等问题。在试验研究方面，万敏等[1]分析了变形程度、拉形速度、毛料几何尺寸、润滑与操作方式对镜面凸双曲性蒙皮零件拉形滑移带的影响,确定了临界变形程度和拉形应变速率的合理范围。黄旭林等通过开展双曲马鞍形零件的工艺试验，确定蒙皮拉形轨迹，克服了蒙皮拉形过程的起皱，研制出凹双曲马鞍形蒙皮零件[2-3]。一些研究综合采用试验研究、理论解析以及数值模拟的手段，基于响应面法[4-5]，优化拉形轨迹，以控制铝合金零件的回弹[6]；基于遗传算法，优化了钛合金蒙皮多道次拉形工艺参数，减小钛合金蒙皮零件拉形的回弹量[7]；控制铝合金蒙皮多道次拉形的应变路径，消除零件“桔皮”缺陷[8]。此外，国内外学者针对不同类型铝锂合金的热处理过程的力学性能、组织演变开展了大量的研究工作[9-12]，但是，针对新型Al-Li-Cu-Mg合金板材，探索拉形热处理制度，揭示拉形质量对板材热处理状态的敏感性，以及新型Al-Li-Cu-Mg合金板材抗拉形表面缺陷的能力的研究工作鲜见报道。

本文采用试验研究的方法，首先探索新型Al-Li-Cu-Mg合金板材拉形热处理制度，获得合理的板材热处理状态，针对不同热处理状态板材，开展蒙皮拉形试验，揭示拉形质量对板材热处理状态的敏感性，以及新型Al-Li-Cu-Mg合金板材抗拉形表面缺陷的能力。

图1 蒙皮拉形工艺过程Fig.1 Skin stretch forming process

1 试验方法

1.1 试验材料

本文的试验材料为T3态Al-Li-Cu-Mg合金和T8态Al-Li-Cu-Mg合金板材，板材表面为镜面。表1和表2为两种热处理状态的板材的室温力学性能，可以发现，与T3态Al-Li-Cu-Mg板材相比，T8态Al-Li-Cu-Mg合金板材各方向断裂强度和屈服强度均较高，延伸率仅为T3态Al-Li-Cu-Mg板材50%左右。因此，T3态Al-Li-Cu-Mg板材能够直接开展蒙皮拉形试验，对于T8态Al-Li-Cu-Mg板材，需要探索热处理制度，获得合理的板材热处理状态，开展蒙皮拉形试验。

表1 T8态Al-Li-Cu-Mg铝锂合金力学性能

表2 T3态Al-Li-Cu-Mg力学性能

1.2 热处理方法

由于T8态Al-Li-Cu-Mg合金板材经历了固溶处理、淬火、冷加工、人工时效处理的过程，因此本文针对T8态Al-Li-Cu-Mg合金板材，沿2060-T8板材轧制方向截取小尺寸板材试片，采用单因素轮换法，开展固溶处理、淬火、人工时效处理的热处理试验，探索合理的T8态Al-Li-Cu-Mg合金板材热处理制度，获得有利于蒙皮拉形的材料力学性能。

蒙皮拉形前板材的固溶处理在盐浴固溶炉中开展，炉腔温控精度和均匀性在±1℃以内，固溶处理后，将板材置于时效热处理炉中开展人工时效处理。

1.3 蒙皮拉形方法

1.3.1 蒙皮数模及设备

图2为具有代表性的民机双凸蒙皮数模，蒙皮的最小曲率半径沿着蒙皮对角线逐步减小。基于双凸蒙皮数模，设计制造拉形模具，在600t数控横拉机上开展Al-Li-Cu-Mg合金蒙皮拉形试验，试验过程中夹钳的运动位移以及力能参数可以由拉形设备直接读出。

1.3.2 蒙皮拉形指标

Al-Li-Cu-Mg合金双凸形蒙皮拉形过程质量采用如下质量指标描述：

（1） 最大主应变εmax≤ 10% ；

（2）最大间隙δ'≤ 0.5mm 。

1.3.3 测量方法

分别沿板材的拉伸方向和垂直于拉伸方向，采用记号笔在T3态Al-Li-Cu-Mg合金的板料局部区域（悬空区、拉形模接触区）上画出50mm×50mm的网格，热处理前采用划针在T8态Al-Li-Cu-Mg合金板料上画出50mm×50mm的网格，在板材横向中线与拉形模接触处，相互垂直贴2条应变片，距离板材横向中线，分别向两端延伸至蒙皮悬空区，在拉伸方向中线上各贴1条应变片，如图3所示。

蒙皮拉形结束后，把零件放置在成形模具表面，以成形模具作为帖模精度检验工装。在蒙皮上局部给力40N，利用塞尺在零件边缘测量，获得帖模精度数据；采用软皮尺测量网格尺寸，计算蒙皮零件的应变分布。此外，拉形过程中可以在线监控蒙皮表面是否有“桔皮”或“滑移线”发生，采用应变片，可以记录表面缺陷发生时蒙皮上位置点的应变值。

图2 具有代表性的民机双凸蒙皮数模Fig.2 Representative skin digital model for commercial aircraft

图3 板材网格及应变片位置Fig.3 Plate grid and strain gage position

图4 人工时效对材料性能的影响Fig.4 Effects of artificial ageing on material properties

2 结果与讨论

2.1 蒙皮热处理制度

针对T8态Al-Li-Cu-Mg合金板材，在固溶处理水淬后，研究了不同人工时效温度和时间对板材材料性能的影响。由图4可以发现，时效温度越高或时效时间越长，板材的屈服强度和断裂强度越高。

2.2 蒙皮拉形特性

针对T3态Al-Li-Cu-Mg合金板材和热处理T8态Al-Li-Cu-Mg合金板材，开展蒙皮拉形试验，拉形采用包覆-补拉的轨迹，拉形轨迹参数值如表3所示。

2.2.1 拉形过程

T3态Al-Li-Cu-Mg合金板材包覆过程如图5所示，分为3步，第1步夹钳带动板材竖直向下运动，直至达到目标位置，板材隆起（图5（a））；第2步，保持竖直方向位移不变，夹钳带动板材作水平拉伸运动，板材隆起高度逐步降低，逐步与拉形模具贴合（图5（b））；第3步，当水平拉伸位运动达到目标位置时，板材实现包覆贴模（图5（c）），蒙皮的补拉过程如图5（d）所示，在板材包覆贴模的基础上，继续沿水平方向拉伸板材，直至达到目标应变值。

对于T8态Al-Li-Cu-Mg合金板材，拉形前需进行热处理，热处理后板材开展拉形，热处理后板材呈现不规则波纹状，第1步夹钳带动板材竖直向下运动，直至达到目标位置，板材有较高的隆起（图6（a））；第2步，保持竖直方向位移不变，夹钳带动板材作水平拉伸运动，板材隆起高度逐步降低，但隆起高度不均匀，逐步与拉形模具贴合（图6（b））；第3步，当水平拉伸位运动达到目标位置时，板材基本实现包覆贴模，板模间存在一定的间隙（图6（c）），蒙皮的补拉过程如图6（d）所示，继续沿水平方向拉伸板材，板材与模具完全贴合，直至达到目标应变值。

表3 双凸蒙皮拉形轨迹

图5 T3态Al-Li-Cu-Mg合金板材拉形过程Fig.5 Stretch forming process of T3 state Al-Li-Cu-Mg alloy plate

图6 T8态Al-Li-Cu-Mg合金板材拉形过程Fig.6 Stretch forming process of T8 state Al-Li-Cu-Mg alloy plate

图7 包覆过程靠近悬空区的应变测量（2060-T3）Fig.7 Strain measurement of free contacting zone in the wrapping process（2060-T3）

图8 T3态Al-Li-Cu-Mg合金板材表面补拉过程桔皮Fig.8 Orange phenomenon of T3 state Al-Li-Cu-Mg alloy plate surface in post stretch process

图9 T8态Al-Li-Cu-Mg合金板材补拉过程靠近悬空区的应变测量（2060-T8）Fig.9 Strain measurement of free contacting zone of T8 state Al-Li-Cu-Mg alloy plate in post stretch process（2060-T8）

2.2.2 表面缺陷

试验过程中发现包覆阶段板材表面无桔皮现象，因为包覆过程板材表面的塑性应变值较小（图7）。但是，补拉过程中，当靠近悬空区的应变值为0.0215时，T3态Al-Li-Cu-Mg合金板材表面出现了轻度桔皮（图8）。

对于经热处理的T8态Al-Li-Cu-Mg合金板材拉形过程，当板材靠近悬空区的应变值为0.0215时，板材表面出现了轻度桔皮，如图9所示。

因此，Al-Li-Cu-Mg合金拉形过程出现桔皮的临界应变，与材料热处理状态无关。

2.2.3 塑性应变

试验过程发现，在T3态Al-Li-Cu-Mg合金板材补拉过程中，当靠近悬空区应变值＞0.048时，板材夹持区发生断裂的可能性将增大；在经热处理的T8态Al-Li-Cu-Mg合金板材补拉过程中，当靠近悬空区应变值＞0.082时，板材夹持区发生断裂的可能性将增大。

测量拉形蒙皮的应变分布，测量位置如图10所示。图11为材料热处理状态对板材塑性应变分布的影响，可见对于T3态Al-Li-Cu-Mg合金板材，板材中间区域的塑性应变较小，两端区域的应变较大，应变值分布较为均匀（图11（a））；对于T8态Al-Li-Cu-Mg合金板材，两端区域的应变较大，且由两端向中间逐步减小，ε1的最大值为0.09，高于T3态Al-Li-Cu-Mg合金板材（图11（b））。因此，T8态Al-Li-Cu-Mg合金板材采用的热处理制度，提高了材料拉形抗断裂的能力。

图10 塑性应变测量位置Fig.10 Measurement locations of plastic strain

图11 热处理状态对塑性应变分布的影响Fig.11 Effects of heat treatment states on plastic strain distributions

3 结论

针对不同热处理状态的新型Al-Li-Cu-Mg合金板材，开展典型民机双凸蒙皮拉形试验，揭示了新型Al-Li-Cu-Mg合金蒙皮拉形特性：

（1）在新型Al-Li-Cu-Mg合金板材拉形过程，桔皮现象主要出现在补拉阶段，蒙皮悬空区应变值＞0.0215时，板材表面将出现桔皮，且与材料热处理状态无关。

（2）采用包覆-补拉轨迹能够克服板材热处理对板材几何形状的影响，实现新型Al-Li-Cu-Mg合金蒙皮成形。

（3）T3态Al-Li-Cu-Mg合金板材中间区域的塑性应变较小，两端区域的应变较大，应变值分布较为均匀。固溶处理时效热处理制度能够提高T8态Al-Li-Cu-Mg合金板材的拉形能力。

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